光纖傳感技術(shù)

光纖傳感技術(shù)第一頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五

本章在簡(jiǎn)要介紹光纖傳感器原理、組成及分類(lèi)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)討論光纖傳感的光調(diào)制方式及相應(yīng)的光纖傳感器，最后對(duì)分布式光纖傳感器作簡(jiǎn)要介紹。第二頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五10.3光相位調(diào)制型光纖傳感器光相位調(diào)制是指被測(cè)量按照一定的規(guī)律使光纖中傳播的光波相位發(fā)生相應(yīng)的變化，光相位的變化量即反映被測(cè)量變化。其基本原理是利用被測(cè)量對(duì)敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)等發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位變化，然后通過(guò)相干檢測(cè)來(lái)確定光的相位變化量，從而得到被測(cè)對(duì)象的信息。與其他調(diào)制方式相比，相位調(diào)制技術(shù)由于采用干涉技術(shù)而具有很高的檢測(cè)靈敏度，且探頭形式靈活多樣，適合不同測(cè)試環(huán)境。但要獲得好的干涉效果，須用特殊光纖及高精度檢測(cè)系統(tǒng)，因此成本高。第三頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五

10.3.1光相位調(diào)制原理光纖傳感技術(shù)中使用的光相位調(diào)制大體有三種類(lèi)型。第一類(lèi)為功能型調(diào)制，被測(cè)量通過(guò)光纖的力應(yīng)變效應(yīng)、熱應(yīng)變效應(yīng)、彈光效應(yīng)及熱光效應(yīng)使傳感光纖的幾何尺寸和折射率等參數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光纖中的光相位變化，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光相位的調(diào)制。第二類(lèi)為薩格奈克(Sagnac)效應(yīng)調(diào)制，被測(cè)量(旋轉(zhuǎn))不改變光纖本身的參數(shù)，而是通過(guò)旋轉(zhuǎn)慣性場(chǎng)中的環(huán)形光纖，使其中相向傳播的兩光束產(chǎn)生相應(yīng)的光程差，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光相位的調(diào)制。第三類(lèi)為非功能型調(diào)制，即在傳感光纖之外通過(guò)改變進(jìn)人光纖的光程差實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖中光相位的調(diào)制。第四頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五1.功能型光相位調(diào)制原理光纖中光的相位由光纖波導(dǎo)的物理長(zhǎng)度、折射率及其分布、波導(dǎo)橫向幾何尺寸等決定。當(dāng)波長(zhǎng)為λ0的相干光波通過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖傳輸時(shí)，相位延遲為

式中，β=n1k0為光波在光纖中的傳播常數(shù)，k0為光在真空中的波數(shù)，n1為纖芯折射率，L為傳播路徑的長(zhǎng)度，k0=2π/λ0。(10.2)第五頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五

當(dāng)傳感光纖受外界被測(cè)量如機(jī)械力或溫場(chǎng)作用時(shí)，將導(dǎo)致一系列物理效應(yīng)，使光纖的參數(shù)變化，其中的縱向應(yīng)變效應(yīng)使光纖的長(zhǎng)度L變化(ΔL)；橫向泊松效應(yīng)使光纖的芯徑2a變化(Δa)，進(jìn)而導(dǎo)致傳播常數(shù)β變化(Δβ)；彈光效應(yīng)和熱光效應(yīng)使光纖的纖芯折射率n1變化(Δn1)。傳感光纖的上述參數(shù)的變化都將引起光纖中的光相位的變化。式中，、和分別為光纖長(zhǎng)度、纖芯折射率和纖芯直徑變化所引起的相位移。第六頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五

一般情況下光纖的長(zhǎng)度與纖芯折射率變化所引起的光相位變化要比纖芯的直徑變化所引起的變化大得多，因此可以忽略纖芯的直徑引起的相位變化。則光波的相位角變化為(10.4式中，為光纖的軸向應(yīng)變，。)(10.4)第七頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.Sagnac效應(yīng)光相位調(diào)制Sagnac效應(yīng)的基本內(nèi)容是:當(dāng)一環(huán)形光路在慣性空間繞垂直于光路平面的軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光路內(nèi)相向傳播的兩列光波之間將因光波的慣性運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生光程差，從而導(dǎo)致光的干涉。如圖10.22所示，一半徑為R的環(huán)形光路，以角速度Ω繞垂直環(huán)路所在平面并通過(guò)環(huán)心的軸旋轉(zhuǎn)，環(huán)路中有兩列光波同時(shí)從位置A處開(kāi)始分別沿圖10.22Sagnac效應(yīng)第八頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五順時(shí)針(CW)方向和逆時(shí)針(CCW)方向相向傳播。設(shè)光波在靜止環(huán)路中傳播一周所需時(shí)間為t,則t=2πR/ν，ν為環(huán)路中的光速，ν=c/n1。根據(jù)慣性運(yùn)動(dòng)原理，與環(huán)路旋轉(zhuǎn)同向的CW波列在t時(shí)間內(nèi)遲后到達(dá)A'點(diǎn)，經(jīng)歷的光程為(10.5)與環(huán)路旋轉(zhuǎn)反向的CCW波列在t時(shí)間內(nèi)超前到達(dá)A’點(diǎn)，經(jīng)歷的光程為(10.6)第九頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五CW、CCW兩波列在環(huán)路中傳播一周產(chǎn)生的光程差為(10.7)(10.8)式說(shuō)明，在環(huán)形光路中相向傳播的CW、CCW兩光束之間的光程差與環(huán)路的角速度成正比，比例系數(shù)僅與環(huán)路面積及光速有關(guān)，而與環(huán)路中介質(zhì)特性無(wú)關(guān)。令S=πR2，為環(huán)形光路的面積。則(10.7)式簡(jiǎn)化為(10.8)第十頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五由(10.8)式，可求出與光程差ΔL相應(yīng)的相位差(10.9)

由(10.9)式可知，利用Sagnac效應(yīng)被測(cè)量可通過(guò)旋轉(zhuǎn)光纖環(huán)對(duì)光纖中的光束進(jìn)行相位調(diào)制，產(chǎn)生相應(yīng)的CW、CCW兩列光波的相位差。第十一頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五10.3.2光纖干涉儀

由于目前各類(lèi)光探測(cè)器都不能敏感光的相位變化，所以必須采用干涉技術(shù)使相位變化轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界被測(cè)量的檢測(cè)。光纖傳感器中的光干涉技術(shù)在光纖干涉儀中實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)分離式元件干涉儀相比，光纖干涉儀的優(yōu)點(diǎn)在于:①容易準(zhǔn)直;②可以通過(guò)增加光纖的長(zhǎng)度來(lái)增加光程來(lái)提高干涉儀的靈敏度;③封閉式光路，不受外界干擾;④測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍大等。傳統(tǒng)的馬赫一澤德(Mach一Gehnder)干涉儀、法布里一拍羅<F一P)干涉儀、邁克爾(Michlson)干涉儀、薩格奈克(Sagnac)干涉儀都能制成相應(yīng)的光纖干涉儀。第十二頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五

馬赫一澤德干涉儀的結(jié)構(gòu)如圖10.23所示，激光器發(fā)出的相干光通過(guò)一個(gè)3dB耦合器分成兩個(gè)相等的光束，分別在信號(hào)臂光纖S和參考臂光纖R中傳輸。外界信號(hào)S0(t)作用于信號(hào)臂，第二個(gè)3dB耦合器把兩束光再禍合，并又分成兩束光經(jīng)光纖傳送到兩個(gè)探測(cè)器中。根據(jù)雙光束相干原理，兩個(gè)光探測(cè)器收到的光強(qiáng)分別為(10.10)式中，I0為激光器發(fā)出的光強(qiáng);α為禍合系數(shù);△φ為兩臂之間的相位差，包括S0(t)引起的相位差。（1）光纖馬赫-澤德干涉儀第十三頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五

（10.10）式表明，馬赫一澤德干涉儀將外界信號(hào)S0(t)引起的相位變化變換成光強(qiáng)度變化，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理系統(tǒng)即可將信號(hào)S0(t)從光強(qiáng)中解調(diào)出來(lái)。圖10.23光纖馬赫一澤德干涉儀第十四頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五

(2)光纖邁克爾遜干涉儀圖10.24是光纖邁克爾遜干涉儀的調(diào)制原理。激光器發(fā)出的光被3dB耦合器，分成兩路人射到參考臂光纖R和信號(hào)臂光纖S，分別到達(dá)固定的光纖反射端面和可動(dòng)光纖端面，反射回來(lái)的光再經(jīng)3dB耦合器耦合到光探測(cè)器，外界信號(hào)S0(t)作用于可移動(dòng)的信號(hào)臂。與馬赫一澤德干涉儀類(lèi)似，探測(cè)器接收到的光強(qiáng)為圖10.24光纖邁克爾遜干涉儀第十五頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五(10.11)式中，I0為激光器發(fā)出的光強(qiáng)；△φ為S與R之間相位差，含S0(t)引起的相位差。(3)Sagnac光纖干涉儀

圖10.25是一個(gè)Sagnac干涉儀的結(jié)構(gòu)，激光器發(fā)出的光由3dB耦合器分成1:1的兩束光，將它們耦合進(jìn)人一個(gè)多匝(多環(huán))單模光纖圈的兩端，光纖兩端出射再經(jīng)3dB禍合器送到光探測(cè)器。探測(cè)器接收到的光強(qiáng)也可由(10.11)式表示，其中△φ為相位差，由(10.9)式表示。第十六頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五設(shè)圓形閉合光程半徑為R，其中有兩列光沿相反方向傳播，當(dāng)閉合光路靜止時(shí)，兩光波傳播的光路相同，沒(méi)有光程差;當(dāng)閉合光路相對(duì)慣性空間以轉(zhuǎn)速Ω順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)(設(shè)Ω垂直于環(huán)路平面)，這時(shí)順逆時(shí)針傳播光的光程不等，產(chǎn)生一個(gè)光程差，如圖10.22所示。因此利用薩格奈克干涉儀可以測(cè)量轉(zhuǎn)速Ω。其最典型應(yīng)用是光纖陀螺，與其他陀螺相比，光纖陀螺具有靈敏度高，無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部分，體積小，成本低等優(yōu)點(diǎn)。光纖陀螺已成功地用在波音飛機(jī)以及其他導(dǎo)航系統(tǒng)中。圖10.25Sagnac光纖干涉儀第十七頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五(4)光纖法布里一泊羅干涉儀

圖10.26為光纖法布里一拍羅干涉儀的調(diào)制原理。白光由多模光纖經(jīng)聚焦透鏡進(jìn)人兩端設(shè)有高反射率的反射鏡或直接鍍有高反射膜的腔體，使光束在兩反射鏡(膜)之間產(chǎn)生多次反射以形成多光束干涉，再經(jīng)探測(cè)器探測(cè)。其腔體結(jié)構(gòu)分空腔、固體材料和反射式三種。根據(jù)多光束干涉理論，其輸出光強(qiáng)為(10.12)圖10.26光纖法布里－珀羅干涉儀第十八頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五式中，I0為人射光強(qiáng)；T為鏡面的透射率；R為鏡面的反射率；Δφ為兩相鄰光束的相位差，F(xiàn)為精細(xì)度。分別為(10.13)式中，n為F-P腔內(nèi)介質(zhì)折射率；B為腔體內(nèi)光線與腔面法線的夾角(即人射光線在腔內(nèi)的折射角)；d為兩鏡面之間的距離。第十九頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五

最早用于相位調(diào)制型光纖溫度傳感的光纖干涉儀為光纖馬赫一澤德干涉儀，它是以傳統(tǒng)的馬赫一澤德干涉儀為基礎(chǔ)，用光纖代替自由空間作為干涉光路，減少傳統(tǒng)的干涉儀長(zhǎng)臂安裝和校準(zhǔn)的困難，使干涉儀小型化，并可以用加長(zhǎng)光纖的方法，使干涉儀對(duì)環(huán)境參數(shù)的響應(yīng)靈敏度增加。如圖10.27所示，其包括激光器、分光鏡、兩個(gè)禍合透鏡、兩根單模光纖(其中一根為參考光纖，一根為置于溫度場(chǎng)中測(cè)試光纖)、光探測(cè)器等。10.3.3相位調(diào)制型光纖傳感器1.馬赫－澤德光纖溫度傳感器第二十頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五干涉儀工作時(shí)，激光器發(fā)出的激光束經(jīng)分束鏡分別送人長(zhǎng)度基本相同的測(cè)試光纖和參考光纖，兩光纖輸出端會(huì)合在一起，則兩束輸出光即產(chǎn)生干涉，從而出現(xiàn)干涉條紋。當(dāng)測(cè)試光纖受溫度場(chǎng)作用時(shí)，產(chǎn)生相位變化，從而引起干涉條紋移動(dòng)。干涉條紋移動(dòng)的數(shù)量反映了被測(cè)溫度的變化。光探測(cè)器接收干涉條紋的變化信息，并輸出到適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理系統(tǒng)，得到測(cè)量結(jié)果。圖10.27馬赫－澤德光纖溫度傳感器第二十一頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五光纖溫度傳感器靈敏度以及相位移由下式給出：(10.14)式中，φ為相位移;Δφ為相位移變化；ΔT為溫度變化；n1為光纖纖芯的折射率；εL為光纖的軸向應(yīng)變；εr為光纖的徑應(yīng)變；p11、p12為光纖的光彈系數(shù)。(10.14)式中等號(hào)右邊第一項(xiàng)代表溫度變化引起的光纖光學(xué)性質(zhì)變化而產(chǎn)生的相位響應(yīng)；第二項(xiàng)代表溫度變化使光纖幾何尺寸變化引起的相位響應(yīng)。當(dāng)干涉儀使用的單模光纖的規(guī)格與長(zhǎng)度已知時(shí)，則光纖的溫度靈敏度等有關(guān)參數(shù)就是確定值。利用單模光纖的典型參數(shù)值Δφ/(φΔT)=0.71×10-5/℃。第二十二頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.法布里－珀羅光纖溫度傳感器圖10.28法布里－珀羅光纖溫度傳感器第二十三頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五

法布里－珀羅光纖溫度傳感器由光纖法布里一拍羅干涉儀組成，如圖10.28所示。它包括激光器、起偏器、顯微物鏡、壓電變換器、光探測(cè)器、記錄儀以及一根F-P單模光纖等。F-P光纖是一根兩端面均拋光的并鍍有多層介質(zhì)膜的單模光纖，它是干涉儀的關(guān)鍵元件。F-P光纖的一部分繞在加有50Hz正弦電壓的壓電變換器上，因而光纖的長(zhǎng)度受到調(diào)制。F-P光纖干涉儀中，只有在產(chǎn)生干涉的各光束通過(guò)光纖后相位差Δφ均為mπ（m是整數(shù)）時(shí)，輸出才最大，因此探測(cè)器獲得周期性的連續(xù)脈沖信號(hào)。當(dāng)外界的被測(cè)溫度使光纖中的光波相位發(fā)生變化時(shí)，輸出脈沖峰值的位置將發(fā)生變化。為了識(shí)別被測(cè)溫度的增減方向，要求激光器有兩個(gè)縱模輸出，其頻率差為620MHz，兩模的輸出強(qiáng)度比為5:1。這樣，根據(jù)對(duì)應(yīng)于兩模所輸出的兩峰的先后順序，即可判斷外界溫度的增減方向。第二十四頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.邁克爾遜干涉型光纖水聽(tīng)器干涉型光纖水聽(tīng)器是根據(jù)相干光的干涉原理制成的，因而不僅靈敏度高，而且動(dòng)態(tài)范圍大，目前普遍被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的水聽(tīng)器之一。光纖水聽(tīng)器系統(tǒng)的組成如圖10.29所示，這是含有兩個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(FRM)的邁克爾遜光纖干涉儀和直接調(diào)制光源的光纖水聽(tīng)器系統(tǒng)，并采用相位載波(PUC)零差檢測(cè)解調(diào)方案。當(dāng)光纖水聽(tīng)器位于水下時(shí)，由于遠(yuǎn)處螺旋槳發(fā)出的聲波對(duì)光纖水聽(tīng)器信號(hào)臂與參考臂的作用不同，光通過(guò)兩條光纖臂后的相位差Δφ會(huì)隨著聲波壓力的變化而變化，相位差Δφ的變化會(huì)影響到干涉儀輸出光強(qiáng)的變化，因此，通過(guò)對(duì)光強(qiáng)的檢測(cè)可以得到有關(guān)聲場(chǎng)的信息。圖10.29中，ω0是光源載波信號(hào)的角頻率；G和H分別為1倍和2倍載波信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)幅度。第二十五頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五

PGL零差檢測(cè)方案是一種開(kāi)環(huán)檢測(cè)方案，它利用遠(yuǎn)離水聲信號(hào)頻帶的高頻、大幅度載波信號(hào)對(duì)光纖干涉儀信號(hào)的初始相位進(jìn)行調(diào)制，減少由于相位隨機(jī)漂移對(duì)信號(hào)檢測(cè)靈敏度的影響，并通過(guò)信號(hào)處理將聲信號(hào)從載波信號(hào)中提取出來(lái)。光纖水聽(tīng)器采用的光纖為傳統(tǒng)的低雙折射單模光纖，光源為半導(dǎo)體激光器，波長(zhǎng)為1.31μm,2只光纖禍合器均為3dB光纖定向耦合器。傳感臂纏繞在1只壓電陶瓷上，在干涉信號(hào)中引人頻率為模擬傳感信號(hào)。系統(tǒng)中采用的調(diào)制信號(hào)頻率為30kHz。信號(hào)檢測(cè)中電路全部由模擬運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)。經(jīng)測(cè)試，能夠測(cè)到較為穩(wěn)定的正弦模擬聲信號(hào)。當(dāng)所加模擬信號(hào)為5Hz－50kHz時(shí)，檢測(cè)信號(hào)均能基本無(wú)失真檢測(cè)。光纖水聽(tīng)器的聲壓靈敏度為-140dB左右，基準(zhǔn)值為1V/μPa。由于單個(gè)的水聽(tīng)器無(wú)法探測(cè)到發(fā)聲源的方位，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需將多個(gè)光纖水聽(tīng)器進(jìn)行組陣。第二十六頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.光纖陀螺

陀螺(Fiber-OpticGyroscope,FOG)是基于Sagnac效應(yīng)、敏感角速率和角偏差的一種光纖傳感器。光纖陀螺與機(jī)械陀螺相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，并有逐步取代機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺儀的趨勢(shì)。光纖陀螺若按它的原理和結(jié)構(gòu)，可分為干涉型光纖傳陀螺(I-FOG)、諧振型光纖陀螺(R-FOG)、受激布里淵散射光纖陀螺(FRLG)。I-FOG，就其結(jié)構(gòu)而言，又有開(kāi)環(huán)光纖陀螺和閉環(huán)光纖陀螺之分。以其相位解調(diào)方式來(lái)看，又可分為自差式和外差式光纖陀螺，其中自差式又分為調(diào)相、調(diào)頻、鋸齒波調(diào)制等形式。第二十七頁(yè)，共三十頁(yè)，編輯于2023年，星期五I-FOG在結(jié)構(gòu)上其實(shí)就是光纖Sagnac干涉儀，如圖10.30所示。